【Linux C | 进程】创建进程 | fork函数详解

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本文内容：介绍fork函数
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一、fork 函数概述

函数原型

#include 
pid_t fork(void);

返回值：父进程返回子进程ID，子进程返回0，出错在父进程返回-1。

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一个现有进程可以调用fork函数创建一个新进程。由fork创建的新进程被成为子进程。使用fork函数有几个特点：

• 1、fork函数之后的代码会执行两次，父进程执行一次，子进程执行一次；
• 2、fork函数返回两次，在父进程返回子进程的进程ID，在子进程返回 0；
• 3、fork函数创建的子进程会复制父进程除了代码区之外所有区域(包括数据段、bss段、堆、栈等)；
• 4、如果父进程有文件描述符，子进程会复制文件描述符，但不复制文件表，共用一个文件表；
• 5、调用fork函数后，无法确定是子进程先执行，还是父进程先执行；

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二、fork 函数之后的代码会执行2次

fork函数是复制进程的。C程序一旦执行之后，就产生一个进程，当执行到fork函数时，就会复制当前进程来创建一个新的进程，也就是子进程。所以，fork函数执行后，父子进程都会执行fork之后的代码。

看例子：

#include 
#include 
int main()
{
    printf("程序开始执行！\n");
    fork();
    printf("pid =%d 程序执行过程中....\n", getpid());
    
    while(1)
		sleep(1);
    printf("程序执行结束\n");
    return 0;
}

上面程序，在fork之后的printf语句执行了两次，使用getpid获取它们的进程ID，从结果可以看出是不同进程。

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三、fork 返回2次，父进程返回子进程ID，子进程返回0

fork 函数返回2次，其实是在父进程返回一次，在子进程返回一次。两次返回的唯一区别是子进程的返回值是0，而父进程的返回值则是新子进程的进程ID。将子进程ID返回给父进程的理由是：因为一个进程的子进程可以有多个，并且没有一个函数使一个进程可以获得其所有子进程的进程ID。fork使子进程得到返回值0的理由是：一个进程只会有一个父进程，所以子进程总是可以调用getppid以获得其父进程的进程ID（进程ID0总是由内核交换进程使用，所以一个子进程的进程ID不可能为0)。

根据fork在父子进程返回值不同的特点，我们可以判断返回值分辨父进程、子进程，然后分别在父进程、子进程做不同的事情。

看例子：

#include 
#include 
int main()
{
    printf("程序开始执行！\n");
    pid_t pid = fork();
	if(pid>0) // 父进程
	{
		printf("父进程执行过程中.... fatherPid=%d, childPid=%d\n", getpid(), pid);
	}
	else if(pid==0) // 子进程
	{
		printf("子进程执行过程中.... fatherPid=%d, childPid=%d\n", getppid(), getpid());
	}
	else
	{
		printf("fork error\n");
	}
    
    while(1)
		sleep(1);
    printf("程序执行结束\n");
    return 0;
}

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四、fork 创建的子进程会复制父进程资源

fork 函数执行后，创建的子进程会复制父进程的数据段、bss段、堆、栈、文件描述符等，与父进程共享代码段。

✨4.1 复制数据段、bss段、堆、栈

如果对数据段、bss段、堆、栈不了解的，可以看上一篇文章。

下面例子，定义了变量i(bss段)、变量j(数据段)、变量s(栈)、指向mallco分配内存的变量str(堆)。fork函数指向后，父进程延时5秒，让子进程先执行，子进程先打印这几个变量的地址和值，然后修改这些变量，在打印变量的值；5秒后，父进程也执行，打印这几个变量的值。

#include 
#include 
#include 
#include 

int i;		// 存在于程序的bss段
int j=100;	// 存在于程序的数据段
int main()
{
	short s=10; // 存在于栈
	char *str = malloc(20); // 存在于堆
    strcpy(str, "abcdef");
	
    printf("程序开始执行！\n");
	
    pid_t pid = fork();
	if(pid>0) // 父进程
	{
		sleep(5);
		printf("父进程执行过程中.... fatherPid=%d, childPid=%d\n", getpid(), pid);
		printf("&i=%p, &j=%p, &s=%p str=%p\n", &i,&j,&s,str);
		printf("i=%d, j=%d, s=%d str=[%s]\n", i,j,s,str);
	}
	else if(pid==0) // 子进程
	{
		printf("子进程执行过程中.... fatherPid=%d, childPid=%d\n", getppid(), getpid());
		printf("&i=%p, &j=%p, &s=%p str=%p\n", &i,&j,&s,str);
		printf("i=%d, j=%d, s=%d str=[%s]\n", i,j,s,str);
		
		i=1;
		j=2;
		s=3;
		strcpy(str, "ABCDEF");
		printf("i=%d, j=%d, s=%d str=[%s]\n", i,j,s,str);
	}
	else
	{
		printf("fork error\n");
	}
	free(str);
    while(1)
		sleep(1);
    printf("程序执行结束\n");
    return 0;
}

运行结果：

从运行结果看，子进程先打印几个变量的地址和值，这几个值就是我们设置好的，然后又打印了改变之后的值。5秒后，父进程也打印这些变量的值，发现打印的值是我们设置的而不是子进程修改过的。

虽然父进程、子进程打印的变量地址值是一样的，但这些地址是虚拟内存的地址，每个进程都有独立的3G的虚拟内存，所以是可以一样的。另外，如果这些变量是共享的话，那么子进程改变值之后，父进程后来打印的应该是子进程修改后的值，但结果显然不是，说明这些变量不是共享的，而是在各自进程都有一份，它们的地址值刚好相同而已。

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✨4.1 复制文件描述符

如果父进程有文件描述符，子进程会复制文件描述符，但不复制文件表，共用一个文件表，所以也共用一个文件偏移量。如下图：

复制文件描述符有点像上一小节的复制变量，就只是复制了保存描述符的变量，导致父进程和子进程的描述符都指向同一个文件表，也就共用同一个文件偏移量，不管父进程写入还是子进程写入都会导致这个文件偏移量产生偏移。下面例子，父进程先执行，写入'a'，那么子进程再写入时就会在'a'后面写入，所以文件内容就是"ab"。

#include 
#include 
#include 

int main()
{
	int fd = open("./fork_fd", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0775);
    printf("程序开始执行！\n");
    pid_t pid = fork();
	if(pid>0) // 父进程
	{
		printf("父进程执行过程中.... fd=%d\n", fd);
		char c = 'a';
		write(fd, &c, 1);
	}
	else if(pid==0) // 子进程
	{
		sleep(1);
		printf("子进程执行过程中.... fd=%d\n", fd);
		char c = 'b';
		write(fd, &c, 1);
	}
	else
	{
		printf("fork error\n");
	}
    
    while(1)
		sleep(1);
    printf("程序执行结束\n");
    return 0;
}

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五、总结

本文详细介绍 fork 函数，并列举C语言例子进行说明。

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